階梯教室智能照明系統(tǒng)設(shè)計

馮浩瀚

（華北理工大學(xué) 人工智能學(xué)院，河北 唐山 063210）

0 引 言

目前，大學(xué)的照明系統(tǒng)依賴于人為的開關(guān)，由于管理落后，易造成“人走燈亮”等問題，增大了校園電量消耗。如何高效地利用資源是目前急需解決的問題。本方案以華北理工大學(xué)為例，研究階梯教室的照明問題，通過對照明系統(tǒng)的改進，消除“長明燈”現(xiàn)象，實現(xiàn)能夠根據(jù)光照度自動化開燈，將教室區(qū)域化，根據(jù)每一區(qū)域是否有人決定是否開燈，讓校園變得智能化，同時滿足學(xué)生的日常學(xué)習(xí)需要和高校節(jié)能環(huán)保理念，更好地利用電能。

1 階梯教室照明現(xiàn)狀分析

1.1 光照度定義

照度全稱為光照度，又名照度均勻度，表示被光照到的物體表面單位面積上受到的光通量面積，單位為“勒克斯”，簡稱“勒”，用單位符號“l(fā)x”表示，1勒克斯等于1流明/平方米，即被光照到的物體表面每平方米的面積上，受距離1 m、發(fā)光強度為1坎德垃的光源垂直照射的光通量。按照我國《建筑照明設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定所示，華北理工大學(xué)階梯教室的標(biāo)準(zhǔn)光照度應(yīng)達到300 lx[1]。

1.2 影響教室光照度的因素

1.2.1 天氣因素

由于當(dāng)日天氣可能為晴天或陰天，不同的天氣會影響教室的光照度。臨近冬季，因供暖等原因空氣質(zhì)量下降，造成霧霾等問題使得光照度減小。造成學(xué)校冬季校采光不佳、光照度不足的天氣原因主要有以下3個。

（1）唐山市冬季的PM2.5多為本地貢獻，部分污染來自鄰近城市輸送。華北理工大學(xué)曹妃甸校區(qū)位于河北省唐山市曹妃甸新城，曹妃甸西部臨近臨近天津工業(yè)區(qū)，污染物從天津方向由高空向唐山輸送[2]。

（2）曹妃甸工業(yè)區(qū)坐落于曹妃甸大學(xué)城附近，也存在著工業(yè)廢氣、燃料燃燒等污染物向空氣排放現(xiàn)象，造成天氣污染。

（3）曹妃甸區(qū)濕度高，冬季氣溫較低，多余的水汽與空氣中的沙塵凝結(jié)成小液滴，形成大霧天氣。

1.2.2 教室布局因素

高校教室需要同時兼顧教學(xué)質(zhì)量和能耗環(huán)保兩方面，因此在設(shè)計照明系統(tǒng)時就要對教室布局進行深入分析。以HE階4教室為例，教室左側(cè)平均分布6扇上旋窗，教室后方均勻分布3扇上懸窗。教室靠窗一側(cè)光照充足，光照度測量值比非靠窗側(cè)的數(shù)值大。天花板吊頂均勻，等距排列9×2根LED燈管。燈具全開時，前排座位因與天花板距離較遠，光照度不如后排大，整個教室的光照度的大小從后排到前排逐級遞減。當(dāng)教室中的同學(xué)分布在前排座位時，也涉及燈具最優(yōu)選擇問題，當(dāng)燈具離同學(xué)距離較近，應(yīng)控制燈具的色溫，防止同學(xué)們產(chǎn)生眩暈感。

1.3 燈具開關(guān)情況

智能照明系統(tǒng)以單片機作為主控單元，通過傳感器判斷教室內(nèi)是否有人，用光敏電阻檢測教室內(nèi)部光照度大小，進而控制燈具的開關(guān)。為了對教室的燈具進行智能控制，需要選擇相應(yīng)功能的傳感器，針對不同的開燈需求情況來進行檢測。經(jīng)過分析，需要開燈的情況主要是當(dāng)教室某一區(qū)域有人且光照度不足時需將燈具打開。基于此，可選擇帶有光照度檢測功能和帶有檢測是否有人功能的傳感器[3]。

2 傳感器的選擇

2.1 光照度傳感器的選擇

本次方案設(shè)計選用控塞恩公司的RS-485型光照度傳感器來檢測教室內(nèi)光照度，內(nèi)部探測器采用可見光波段光敏二極管，感應(yīng)光照強度并轉(zhuǎn)為弱電信號，經(jīng)過集成運放轉(zhuǎn)換為電壓信號進行輸出。相比較網(wǎng)絡(luò)上相同功能的光照度傳感器，本次選擇的產(chǎn)品有著經(jīng)濟實惠、防護水平好、精確度高等優(yōu)點。

2.2 室內(nèi)檢測人體感應(yīng)器的選擇

檢測人體感應(yīng)器選擇基于紅外線技術(shù)的自動控制模塊HC-SR501，其特點為靈敏度高、可靠性強、超低電壓工作模式，廣泛應(yīng)用于各類自動感應(yīng)電器設(shè)備。由于自身溫度原因，人體會散發(fā)出波長約為1×10-5m的紅外譜線，而人體紅外傳感器的作用原理是通過熱釋電效應(yīng)探測該紅外譜線，同時傳感器內(nèi)部裝有菲涅爾透鏡，可以將紅外譜線聚集起來使其在熱釋電元件上成像。當(dāng)有人進入感應(yīng)器感應(yīng)范圍時，傳感器探測到由人體發(fā)出的紅外光譜與環(huán)境溫度的不同，自動輸出高電平，當(dāng)人離開傳感器范圍時傳感器探測環(huán)境溫度停止輸出高電平。傳感器具有延時功能和感應(yīng)封鎖時間，可實現(xiàn)間隔探測物體的功能，可有效抑制負載切換過程中產(chǎn)生的各種干擾。

3 傳感器安放情況

3.1 傳感器作用思路

本次教室智能照明系統(tǒng)的主要應(yīng)用場景有：白天光照不足時，燈光需要自動打開；夜晚教室無人時，燈光需要關(guān)閉；教室人員稀疏時，不需要打開全部燈具；光照度不足時，需要開燈并檢測出人員分布來控制開哪一部分（區(qū)域）的燈。通過以上場景分析即可將判斷的邏輯概括為如圖1所示的流程圖。傳感器獲取室內(nèi)燈光以及人員分布情況，若滿足教室所需光照強度則無需開燈，不滿足光照度標(biāo)準(zhǔn)將判斷是否有人，如有人則進行下一判斷，無人則進入延時環(huán)節(jié)，然后返回第一步重新進行判斷，當(dāng)獲取結(jié)果為教室內(nèi)有人且光照度不充足時燈具打開。

圖1 傳感器作用思路

3.2 教室布局

經(jīng)測量，華北理工大學(xué)HE階4教室長24 m，寬14 m，高5 m，空間較大。為獲得較為準(zhǔn)確合理的光照度數(shù)據(jù)，按照教室獲得自然光的能力等級將教室劃分為編號A～I共9個區(qū)域?？看皡^(qū)域接收自然光的能力最強，其他區(qū)域采光能力依次遞減。

3.3 光照度傳感器的安裝

由傳感器作用原理和教室的布局可知，教室不同位置對光照強度有著不同程度的需求。首先在上述劃分的9個區(qū)域各安裝一個光照度傳感器，對各區(qū)域的光照度進行采集儲存，進行下一步處理，決定是否開啟照明設(shè)備。然而此時存在一個問題：光照度傳感器在接受外界自然光的同時，也會受其他打開燈具的影響，當(dāng)外界光照強度不足時傳感器采集到信息使得燈具開啟，這時燈具開啟的燈光反過來會影響傳感器的光照度采集結(jié)果，造成燈具反復(fù)開關(guān)的問題，使燈具壽命減少，也會影響到教室內(nèi)部正在進行教學(xué)活動或者自習(xí)的教師、同學(xué)。因此需要在窗外也安裝1個光照度傳感器，與屋內(nèi)傳感器形成級聯(lián)結(jié)構(gòu)。當(dāng)窗外光照度傳感器檢測到光照度不足，再由下一級室內(nèi)光照度傳感器進行信息采集，如燈具開啟則進入延時單元，一定時間后，再次由室外光照度傳感器進行光強檢測。

3.4 人體紅外傳感器的安裝

HC-SR501傳感器具有價格低、使用方便、反應(yīng)靈敏等優(yōu)點，但是也存在精確度低的缺點，不能實現(xiàn)對某一個人的精準(zhǔn)捕捉，只能實現(xiàn)對某一特定區(qū)域的檢測。本次方案設(shè)計本著經(jīng)濟實惠、測量準(zhǔn)確的理念，沒有在每一個座位都安裝人體感應(yīng)器，而是將人體紅外傳感器安裝在教室劃分的9個區(qū)域中。本次使用的紅外傳感器的探測距離為10 m（室溫25 ℃），根據(jù)教室的尺寸，可以將紅外傳感器安裝到9個區(qū)域的天花板上，每行傳感器間的距離約為3.3 m，每列傳感器間的距離為8 m，該種布置方案也符合教室燈具的安裝布局。當(dāng)傳感器檢測到該區(qū)域有人，則輸出高電平，將信號實時傳給系統(tǒng)的下一級，根據(jù)光照度判斷是否將燈具打開。

4 節(jié)能燈具選擇

4.1 藍光的危害

藍光是指由光源發(fā)出的波長約400～480 nm具有相對較高能量的譜線，該波長范圍內(nèi)的藍光可引起眼睛疲勞，對視網(wǎng)膜造成損傷。教室中若藍光含量過高，會降低學(xué)生的學(xué)習(xí)效率，增加學(xué)生患近視的風(fēng)險[4]。傳統(tǒng)的LED燈具與三基色熒光燈相比有更高的藍光含量。

4.2 燈具選用

燈具的使用壽命方面，LED燈壽命大約為50 000 h，熒光燈壽命大約為20 000 h。LED燈的燈光較為刺眼，藍光含量較大，如教師和學(xué)生在教學(xué)活動中長時間使用，易造成腦部疲勞與視覺疲勞。相比之下，熒光燈燈光柔和，適合在學(xué)生長時間學(xué)習(xí)的教室中使用。因此可采用LED燈為主要照明燈具，安置于前排與天花板距離較遠的區(qū)域，而將熒光燈管用于與天花板距離較近的后排座位區(qū)域[5]。

5 供電方案

5.1 電源設(shè)計

電源供電采用教室中的220 V插座進行供電，該種方式經(jīng)濟實惠，排線簡單。系統(tǒng)接入220 V交流電，經(jīng)過變壓器將高壓轉(zhuǎn)換為低壓交流信號，因傳感器及光敏元件等對周圍環(huán)境條件較為敏感，所以要在設(shè)計中加入抗噪聲環(huán)節(jié)，接入橋式單相整流和濾波電路將高次諧波濾除，最后接入7805三端穩(wěn)壓器，以得到穩(wěn)定干凈的直流電壓，給主控及傳感器供電[6]。

5.2 接線方式

接線方面，采用M-BUS總線結(jié)構(gòu)。M-BUS總線屬于局域網(wǎng)（Local Area Network，LAN）類型，適用于一座或多座教學(xué)樓中連接傳感器與監(jiān)控設(shè)備進行數(shù)據(jù)傳輸，具有傳輸距離遠、實時性強等特點。該種結(jié)構(gòu)能夠兼顧供電和通信傳輸數(shù)據(jù)兩種功能，適合本方案中的光照度傳感器和人體紅外傳感器。將每個傳感器與總線端相接，將接線放置在天花板吊頂里。采用該種布線方法，線纜布置隨意、兼容性好、抗干擾能力強，當(dāng)某一傳感器損壞、需要更換時，該種方案設(shè)計也使得傳感器的更換易于操作，具有一定的獨立性。

6 結(jié) 語

目前，人工控制燈具開關(guān)的方式仍有較大的局限性，對燈光的控制不能做到準(zhǔn)時、準(zhǔn)確，同時也十分依賴于學(xué)生、教師的自覺性。隨著高校規(guī)模的擴大，教室數(shù)量日益增多，這種傳統(tǒng)的管理機制已經(jīng)落后于時代，不利于校園的長遠發(fā)展。相對于傳統(tǒng)的人工控制燈具開關(guān)的方式，智能照明系統(tǒng)在占地面積較大的階梯教室中的作用效果十分明顯，可以根據(jù)光照度來進行室內(nèi)光亮調(diào)節(jié)，教室不同區(qū)域傳感器采集自然光不足時自動開啟燈具，緩解師生視覺疲勞，方便學(xué)生學(xué)習(xí)、教師開展教學(xué)活動，體現(xiàn)了高校的管理水平，同時也減少了高校的能源浪費，節(jié)省大筆電力開銷，加快現(xiàn)代化校園建設(shè)，有利于建成綠色、現(xiàn)代化智能化校園。